特許 6336712 圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6336712

(24)【登録日】2018年5月11日

(45)【発行日】2018年6月6日

(54)【発明の名称】圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサ

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/17 20060101AFI20180528BHJP

   H03H 9/54 20060101ALI20180528BHJP

   H03H 9/70 20060101ALI20180528BHJP

【ＦＩ】

   H03H9/17 F

   H03H9/54 Z

   H03H9/70

【請求項の数】11

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2013-104567(P2013-104567)

(22)【出願日】2013年5月16日

(65)【公開番号】特開2014-161001(P2014-161001A)

(43)【公開日】2014年9月4日

【審査請求日】2016年5月13日

(31)【優先権主張番号】特願2013-13415(P2013-13415)

(32)【優先日】2013年1月28日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】西原 時弘

(72)【発明者】

【氏名】坂下 武

【審査官】 石川 雄太郎

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０２１８０６０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１３５１４４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０６０８１１７１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１０００２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／０２８０２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−３１９７９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０４９３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１１０２８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０９１６３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１１７６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０８２６８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２９０３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 OHTA, Satoshi, et al.，Temperature characteristics of solidly mounted piezoelectric thin film resonators.，In: Ultrasonics, 2003 IEEE Symposium on. IEEE，２００３年，p. 2011-2015.

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｈ ３／００７−３／０６

Ｈ０３Ｈ ９／００−９／１３５

Ｈ０３Ｈ ９／１５−９／２４

Ｈ０３Ｈ ９／３０−９／４０

Ｈ０３Ｈ ９／４６−９／６２

Ｈ０３Ｈ ９／６６

Ｈ０３Ｈ ９／７０

Ｈ０３Ｈ ９／７４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に設けられ、第１圧電膜と第２圧電膜とが積層された圧電膜と、
前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、
前記第１圧電膜と前記第２圧電膜との間に挿入され、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振領域内の外周領域の少なくとも一部に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜と、
を具備し、
前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とし、
前記挿入膜は、Ａｌおよび酸化シリコンの少なくとも一つを主成分とし、
前記基板と前記下部電極または前記下部電極に接する絶縁膜との間に、平面視において前記共振領域を含むように空隙が形成されている、または、前記下部電極下に、平面視において前記共振領域を含むように、前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を具備し、
前記挿入膜の膜厚をＴ１、前記中央領域の前記下部電極、前記圧電膜および前記上部電極の合計の膜厚をＴ２としたとき、
０．０３≦Ｔ１／Ｔ２≦０．２であり、
前記挿入膜は、前記共振領域の外周に沿って前記中央領域を囲むように設けられ、
前記共振領域内の前記外周に直交する方向の前記挿入膜の幅は、前記共振領域内の厚み縦振動の弾性波の波長の０．３倍以上かつ２．５倍以下である、ことを特徴とする圧電薄膜共振器。

【請求項2】

前記挿入膜の前記共振領域内における前記挿入膜の幅は、前記圧電薄膜共振器の厚み縦振動の弾性波の波長の１．５倍以下であることを特徴とする請求項１記載の圧電薄膜共振器。

【請求項3】

前記挿入膜は、平面視において前記共振領域以外には設けられていないことを特徴とする請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。

【請求項4】

前記挿入膜は、前記外周領域の少なくとも一部から前記共振領域外にかけて設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の圧電薄膜共振器。

【請求項5】

前記挿入膜は、Ａｌ膜であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。

【請求項6】

前記挿入膜は、酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。

【請求項7】

前記圧電膜は窒化アルミニウム膜であり、前記挿入膜はＡｌ膜または酸化シリコン膜である請求項１から４のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。

【請求項8】

前記挿入膜の側面は、前記挿入膜の上面が下面より小さくなるテーパーを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器。

【請求項9】

前記挿入膜の下面と側面とのなす角度は６０°以下であることを特徴とする請求項８記載の圧電薄膜共振器。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか一項記載の圧電薄膜共振器を含むことを特徴とするフィルタ。

【請求項11】

送信フィルタと受信フィルタとを具備し、
前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方が請求項１０記載のフィルタであることを特徴とするデュプレクサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電薄膜共振器、フィルタおよびデュプレクサに関する。

【背景技術】

【0002】

圧電薄膜共振器を用いた弾性波デバイスは、例えば携帯電話等の無線機器のフィルタおよびデュプレクサとして用いられている。圧電薄膜共振器は、圧電膜を挟み下部電極と上部電極が対向する構造を有している。

【0003】

無線システムの急速な普及にともない、多くの周波数帯が使用されている。その結果、フィルタやデュプレクサのスカート特性を急峻化する要求が強まっている。スカート特性を急峻化する対策の一つに圧電薄膜共振器のＱ値を高めることがある。圧電薄膜共振器のＱ値が劣化する要因の一つに、弾性波エネルギーが共振領域から外部へ漏洩することが挙げられる。

【0004】

特許文献１には、下部電極または上部電極の表面に環帯を設けることにより、Ｑ値を向上させることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６−１０９４７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１の構造では、共振領域から外部に漏洩する弾性波エネルギーを十分に抑制することができない。よって、Ｑ値の向上が不十分である。

【0007】

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧電薄膜共振器のＱ値を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、基板と、前記基板上に設けられ、第１圧電膜と第２圧電膜とが積層された圧電膜と、前記圧電膜の少なくとも一部を挟んで対向した下部電極および上部電極と、前記第１圧電膜と前記第２圧電膜との間に挿入され、前記圧電膜を挟み前記下部電極と前記上部電極とが対向する共振領域内の外周領域の少なくとも一部に設けられ、前記共振領域の中央領域には設けられていない挿入膜と、を具備し、前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とし、前記挿入膜は、Ａｌおよび酸化シリコンの少なくとも一つを主成分とし、前記基板と前記下部電極または前記下部電極に接する絶縁膜との間に、平面視において前記共振領域を含むように空隙が形成されている、または、前記下部電極下に、平面視において前記共振領域を含むように、前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を具備し、前記挿入膜の膜厚をＴ１、前記中央領域の前記下部電極、前記圧電膜および前記上部電極の合計の膜厚をＴ２としたとき、０．０３≦Ｔ１／Ｔ２≦０．２であり、前記挿入膜は、前記共振領域の外周に沿って前記中央領域を囲むように設けられ、前記共振領域内の前記外周に直交する方向の前記挿入膜の幅は、前記共振領域内の厚み縦振動の弾性波の波長の０．３倍以上かつ２．５倍以下である、ことを特徴とする圧電薄膜共振器である。本発明によれば、圧電薄膜共振器のＱ値を向上させることができる。

【0009】

上記構成において、前記挿入膜は、前記外周領域の少なくとも一部から前記共振領域外にかけて設けられている構成とすることができる。

【0010】

上記構成において、前記挿入膜のヤング率は前記圧電膜より小さい構成とすることができる。

【0011】

上記構成において、前記圧電膜は、窒化アルミニウムを主成分とする構成とすることができる。

【0012】

前記挿入膜は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｃｒおよび酸化シリコンの少なくとも一つを主成分とする構成とすることができる。

【0013】

上記構成において、前記挿入膜は、金属膜である構成とすることができる。

【0014】

上記構成において、前記挿入膜の膜厚をＴ１、前記中央領域の積層膜の膜厚をＴ２としたとき、Ｔ１／Ｔ２≦０．２である構成とすることができる。

【0015】

上記構成において、前記挿入膜の前記共振領域内における前記挿入膜の幅は、前記圧電薄膜共振器の厚み縦振動の弾性波の波長の２．５倍以下である構成とすることができる。

【0016】

上記構成において、前記挿入膜の前記共振領域内における前記挿入膜の幅は、前記圧電薄膜共振器の厚み縦振動の弾性波の波長の１．５倍以下である構成とすることができる。

【0017】

上記構成において、前記共振領域において、前記基板と前記下部電極または前記下部電極に接する絶縁膜との間に空隙が形成されている構成とすることができる。

【0018】

上記構成において、前記共振領域において、前記下部電極下に前記圧電膜を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜を具備する構成とすることができる。

【0019】

上記構成において、前記挿入膜の側面は、前記挿入膜の上面が下面より小さくなるテーパーを有する構成とすることができる。

【0020】

上記構成において、前記挿入膜の下面と側面とのなす角度は６０°以下である構成とすることができる。

【0021】

本発明は、上記圧電薄膜共振器を含むことを特徴とするフィルタである。

【0022】

本発明は、送信フィルタと受信フィルタとを具備し、前記送信フィルタおよび前記受信フィルタの少なくとも一方が上記フィルタであることを特徴とするデュプレクサである。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、圧電薄膜共振器のＱ値を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図2】図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る直列共振器の製造方法を示す断面図である。

【図3】図３（ａ）は、ヤング率に対する反共振点のＱ値、図３（ｂ）は、ヤング率に対する実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆを示す図である。

【図4】図４は、Ｔ１／Ｔ２に対するＦＯＭを示す図である。

【図5】図５は、Ｔ１／Ｔ２に対するＦＯＭを示す図である。

【図6】図６は、挿入膜の正規化した幅に対するＦＯＭを示す図である。

【図7】図７（ａ）および図７（ｂ）は、共振領域の端部近傍の拡大模式図である。

【図8】図８（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図８（ｂ）は、挿入膜の平面図、図８（ｃ）および図８（ｄ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図9】図９（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図９（ｂ）は、挿入膜の平面図、図９（ｃ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図10】図１０（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１０（ｂ）は、挿入膜および付加膜の平面図、図１０（ｃ）および図１０（ｄ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図11】図１１（ａ）は、実施例５に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１１（ｂ）は、挿入膜および開口の平面図、図１１（ｃ）および図１１（ｄ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図12】図１２（ａ）は、実施例６に係る圧電薄膜共振器の断面図、図１２（ｂ）は、実施例６の変形例に係る圧電薄膜共振器の断面図である。

【図13】図１３は、実施例７に係るデュプレクサの回路図である。

【図14】図１４（ａ）は、送信フィルタの平面図および断面図、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図15】図１５は、送信フィルタの挿入膜の平面図である。

【図16】図１６は、作製した実施例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。

【図17】図１７は、周波数に対するＱ値をクラック有無について示した図である。

【図18】図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、それぞれ比較例４および実施例８に係る挿入膜の端部の拡大図である。

【図19】図１９は、角度αに対するクラック発生率を示す図である。

【図20】図２０は、αが３０°と７５°のときの周波数に対するＱ値を示す図である。

【図21】図２１（ａ）から図２１（ｃ）は、圧電薄膜共振器の平面図（その１）である。

【図22】図２２（ａ）および図２２（ｂ）は、圧電薄膜共振器の平面図（その２）である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

【実施例1】

【0026】

図１（ａ）は、実施例１に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１（ｂ）は、挿入膜の平面図、図１（ｃ）および図１（ｄ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図１（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。

【0027】

図１（ａ）および図１（ｃ）を参照し、直列共振器Ｓの構造について説明する。シリコン（Ｓｉ）基板である基板１０上に、下部電極１２が設けられている。基板１０の平坦主面と下部電極１２との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成されている。ドーム状の膨らみとは、例えば空隙３０の周辺では空隙３０の高さが小さく、空隙３０の内部ほど空隙３０の高さが大きくなるような形状の膨らみである。下部電極１２は下層１２ａと上層１２ｂとを含んでいる。下層１２ａは例えばＣｒ（クロム）膜であり、上層１２ｂは例えばＲｕ（ルテニウム）膜である。

【0028】

下部電極１２上に、（００２）方向を主軸とする窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とする圧電膜１４が設けられている。圧電膜１４内に挿入膜２８が設けられている。圧電膜１４を挟み下部電極１２と対向する領域（共振領域５０）を有するように圧電膜１４上に上部電極１６が設けられている。共振領域５０は、楕円形状を有し、厚み縦振動モードの弾性波が共振する領域である。上部電極１６は下層１６ａおよび上層１６ｂを含んでいる。下層１６ａは例えばＲｕ膜であり、上層１６ｂは例えばＣｒ膜である。

【0029】

上部電極１６上には周波数調整膜２４として酸化シリコン膜が形成されている。共振領域５０内の積層膜１８は、下部電極１２、圧電膜１４、挿入膜２８、上部電極１６および周波数調整膜２４を含む。周波数調整膜２４はパッシベーション膜として機能してもよい。

【0030】

図１（ａ）のように、下部電極１２には犠牲層をエッチングするための導入路３３が形成されている。犠牲層は空隙３０を形成するための層である。導入路３３の先端付近は圧電膜１４で覆われておらず、下部電極１２は導入路３３の先端に孔部３５を有する。

【0031】

図１（ａ）および図１（ｄ）を参照し、並列共振器Ｐの構造について説明する。並列共振器Ｐは直列共振器Ｓと比較し、上部電極１６と周波数調整膜２４との間に、Ｔｉ（チタン）層からなる質量負荷膜２０が設けられている。よって、積層膜１８は直列共振器Ｓの積層膜に加え、共振領域５０内の全面に形成された質量負荷膜２０を含む。その他の構成は直列共振器Ｓの図１（ｃ）と同じであり説明を省略する。

【0032】

直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの共振周波数の差は、質量負荷膜２０の膜厚を用い調整する。直列共振器Ｓと並列共振器Ｐとの両方の共振周波数の調整は、周波数調整膜２４の膜厚を調整することにより行なう。

【0033】

２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器の場合、下部電極１２のＣｒ膜からなる下層１２ａの膜厚は１００ｎｍ、Ｒｕ膜からなる上層１２ｂの膜厚は２５０ｎｍである。ＡｌＮ膜からなる圧電膜１４の膜厚は１１００ｎｍである。Ａｌ（アルミニウム）膜からなる挿入膜２８の膜厚は１５０ｎｍである。上部電極１６のＲｕ膜からなる下層１６ａの膜厚は２５０ｎｍ、Ｃｒ膜からなる上層１６ｂの膜厚は５０ｎｍである。酸化シリコン膜からなる周波数調整膜２４の膜厚は５０ｎｍである。Ｔｉ膜からなる質量負荷膜２０の膜厚は１２０ｎｍである。各層の膜厚は、所望の共振特性を得るため適宜設定することができる。

【0034】

図１（ｂ）に示すように、挿入膜２８は、共振領域５０内の外周領域５２に設けられ中央領域５４に設けられていない。外周領域５２は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の外周を含み外周に沿った領域である。外周領域５２は、例えば帯状およびリング状である。中央領域５４は、共振領域５０内の領域であって、共振領域５０の中央を含む領域である。中央は幾何学的な中心でなくてもよい。挿入膜２８は、外周領域５２から共振領域５０外まで連続して設けられている。挿入膜２８には、孔部３５に対応する孔部３４が設けられている。

【0035】

基板１０としては、Ｓｉ基板以外に、石英基板、ガラス基板、セラミック基板またはＧａＡｓ基板等を用いることができる。下部電極１２および上部電極１６としては、ＲｕおよびＣｒ以外にもＡｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）またはＩｒ（イリジウム）等の単層膜またはこれらの積層膜を用いることができる。上部電極１６を積層膜とした場合、積層膜の界面に挿入膜２８を配置してもよい。例えば、上部電極１６の下層１６ａをＲｕ、上層１６ｂをＭｏとしてもよい。圧電膜１４は、窒化アルミニウム以外にも、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＰｂＴｉＯ₃（チタン酸鉛）等を用いることができる。また、例えば、圧電膜１４は、窒化アルミニウムを主成分とし、共振特性の向上または圧電性の向上のため他の元素を含んでもよい。例えば、添加元素としてＳｃ（スカンジウム）を用いることにより、圧電膜１４の圧電性が向上するため、圧電薄膜共振器の実効的電気機械結合係数を向上できる。

【0036】

周波数調整膜２４としては、酸化シリコン膜以外にも窒化シリコン膜または窒化アルミニウム等を用いることができる。質量負荷膜２０としては、Ｔｉ以外にも、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｔ、ＲｈもしくはＩｒ等の単層膜を用いることができる。また、例えば窒化シリコンまたは酸化シリコン等の窒化金属または酸化金属からなる絶縁膜を用いることもできる。質量負荷膜２０は、上部電極１６の層間以外にも、下部電極１２の下、下部電極１２の層間、上部電極１６の上、下部電極１２と圧電膜１４との間または圧電膜１４と上部電極１６との間に形成することができる。質量負荷膜２０は、共振領域５０を含むように形成されていれば、共振領域５０より大きくてもよい。

【0037】

図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る直列共振器の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）に示すように、平坦主面を有する基板１０上に空隙を形成するための犠牲層３８を形成する。犠牲層３８の膜厚は、例えば１０〜１００ｎｍであり、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＧｅまたはＳｉＯ_２等のエッチング液またはエッチングガスに容易に溶解できる材料から選択される。その後、犠牲層３８を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。犠牲層３８の形状は、空隙３０の平面形状に相当する形状であり、例えば共振領域５０となる領域を含む。次に、犠牲層３８および基板１０上に下部電極１２として下層１２ａおよび上層１２ｂを形成する。犠牲層３８および下部電極１２は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用い成膜される。その後、下部電極１２を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。下部電極１２は、リフトオフ法により形成してもよい。

【0038】

図２（ｂ）に示すように、下部電極１２および基板１０上に圧電膜１４ａおよび挿入膜２８を、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。挿入膜２８を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。挿入膜２８は、リフトオフ法により形成してもよい。

【0039】

図２（ｃ）に示すように、圧電膜１４ｂ、上部電極１６の下層１６ａおよび上層１６ｂを、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。圧電膜１４ａおよび１４ｂから圧電膜１４が形成される。上部電極１６を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。上部電極１６は、リフトオフ法により形成してもよい。

【0040】

なお、図１（ｄ）に示す並列共振器においては、下層１６ａを形成した後に、質量負荷膜２０を、例えばスパッタリング法、真空蒸着法またはＣＶＤ法を用い成膜する。質量負荷膜２０をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い所望の形状にパターニングする。その後、上層１６ｂを形成する。

【0041】

周波数調整膜２４を例えばスパッタリング法またはＣＶＤ法を用い形成する。フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用い周波数調整膜２４を所望の形状にパターニングする。

【0042】

その後、孔部３５および導入路３３（図１（ａ）参照）を介し、犠牲層３８のエッチング液を下部電極１２の下の犠牲層３８に導入する。これにより、犠牲層３８が除去される。犠牲層３８をエッチングする媒体としては、犠牲層３８以外の共振器を構成する材料をエッチングしない媒体であることが好ましい。特に、エッチング媒体は、エッチング媒体が接触する下部電極１２がエッチングされない媒体であることが好ましい。積層膜１８（図１（ｃ）、図１（ｄ）参照）の応力を圧縮応力となるように設定しておく。これにより、犠牲層３８が除去されると、積層膜１８が基板１０の反対側に基板１０から離れるように膨れる。下部電極１２と基板１０との間にドーム状の膨らみを有する空隙３０が形成される。以上により、図１（ａ）および図１（ｃ）に示した直列共振器Ｓ、および図１（ａ）および１（ｄ）に示した並列共振器Ｐが作製される。

【0043】

挿入膜２８の材料を変え、反共振点のＱ値について有限要素法を用いシミュレーションした。有限要素法は、図１（ｃ）のような断面の２次元解析により行なった。積層膜１８の各膜厚および材料は図１（ａ）から図１（ｄ）の２ＧＨｚの共振周波数を有する圧電薄膜共振器として例示したものとした。すなわち、圧電膜１４をＡｌＮとした。挿入膜２８の膜厚を１５０ｎｍとし、共振領域５０と挿入膜２８との重なる幅Ｗを２μｍとした。軸の長さが挿入膜２８は、圧電膜１４の膜厚方向の中間位置に設けられているとした。

【0044】

図３（ａ）は、ヤング率に対する反共振点のＱ値、図３（ｂ）は、ヤング率に対する実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆを示す図である。比較例１は、挿入膜２８を設けない共振器に対応する。挿入膜２８の材料として、Ａｌ、ＳｉＯ_２、Ｔｉ、Ｃｒ，ＡｌＮ、ＲｕおよびＷについて計算した。

【0045】

図３（ａ）を参照し、ヤング率が小さい材料を挿入膜２８とすることにより反共振点のＱ値が高くなる。ヤング率がＡｌＮより小さくなると、Ｑ値が比較例１より高くなる。これは、以下の理由による。すなわち、外周領域５２にヤング率が小さい挿入膜２８が設けられることにより、共振領域５０の外周領域５２において弾性波の振動が小さくなる。これにより、共振領域５０の外周が固定端として弾性波が固定端反射される。よって、弾性波のエネルギーが共振領域５０の外に漏れることを抑制する。これにより、Ｑ値が高くなる。挿入膜２８のヤング率は、圧電膜１４のヤング率より小さいことが好ましく、圧電膜１４のヤング率の９０％以下がより好ましく、８０％以下がより好ましい。

【0046】

図３（ｂ）を参照し、実効的電気機械結合係数ｋ^２ｅｆｆは、挿入膜２８を金属とすると高くなる。挿入膜２８を金属とすることにより共振領域５０における弾性波の電界分布が揃うためと推測される。

【0047】

図４および図５は、Ｔ１／Ｔ２に対するＦＯＭを示す図である。横軸は、挿入膜２８の膜厚Ｔ１、共振領域５０内の中央領域５４における積層膜１８の膜厚Ｔ２のときのＴ１／Ｔ２である。縦軸のＦＯＭは、実効的電気機械結合係数×√（共振点のＱ値×反共振点のＱ値）から導出される。図４を参照し、挿入膜２８をＡｌまたはＳｉＯ_２とした場合についてシミュレーションした。ＦＯＭが高くなるとフィルタの損失が小さくなる。Ｔ１／Ｔ２を０．２以下とすることにより、ＦＯＭを比較例１より大きくできる。Ｔ１／Ｔ２は、０．１５以下が好ましく、０．１以下がより好ましい。また、０．０３以上であることが好ましい。

【0048】

図５は、挿入膜２８をＡｌとした場合についてシミュレーションした。比較例２は、圧電膜１４と下部電極１２との間の界面に挿入膜２８を設けた場合の例である。比較例３は、圧電膜１４と上部電極１６との間の界面に挿入膜２８を設けた場合の例である。実施例１のように、挿入膜２８を圧電膜１４の膜厚方向の中間位置に設けることで、ＦＯＭを大きくできる。挿入膜２８は圧電膜１４の中間位置に設けることにより、ＦＯＭを最も大きくできる。挿入膜２８は圧電膜１４の中間位置でなくても圧電膜１４内に設けられることが好ましい。これにより、比較例２および３よりＦＯＭを大きくできる。

【0049】

図６は、挿入膜の正規化した幅に対するＦＯＭを示す図である。挿入膜２８の幅Ｗは、共振領域５０内の外周に直交する方向の幅である（図１（ｂ）参照）。図６を参照し、挿入膜２８をＡｌとし、膜厚を１５０ｎｍとした場合についてシミュレーションした。幅Ｗは厚み振動の弾性波の波長λで正規化した。ここで、波長λは共振領域５０内の中央領域５４における積層膜の膜厚Ｔ２の２倍に等しい。Ｗ／λが２．５以下において、ＦＯＭが比較例１より大きくなる。このように、挿入膜２８の共振領域５０内における挿入膜２８の幅Ｗは、弾性波の波長λの２．５倍以下が好ましい。幅Ｗは波長λの０．３倍以上かつ１．７倍以下がより好ましい。１．５倍以下がさらに好ましい。

【0050】

実施例１によれば、挿入膜２８が圧電膜１４中に挿入され、共振領域５０内の外周領域５２の少なくとも一部に設けられる。一方、共振領域５０の中央領域５４には設けられていない。これにより、横方向に伝搬する弾性波が共振領域５０外に漏れることが抑制される。よって、Ｑ値を改善できる。また、図５のように、下部電極１２または上部電極１６と圧電膜１４との界面に挿入膜２８を設ける場合に比べＦＯＭを改善できる。

【0051】

図７（ａ）および図７（ｂ）は、共振領域５０の端部近傍の拡大模式図である。図７（ａ）においては、挿入膜２８を設けていない。共振領域５０外の圧電膜１４を除去することにより、共振領域５０からの弾性波の漏洩を抑制している。図７（ｂ）は、実施例１に対応する。図７（ａ）および図７（ｂ）のように、空隙３０は、Ｑ値向上のため、共振領域５０より大きい。このため、図７（ａ）において、圧電膜１４を除去した領域５８は下部電極１２により共振領域５０の積層膜が支持される。よって、下部電極１２に亀裂が生じ易い。特に、高周波数に対応した圧電薄膜共振器においては、下部電極１２が薄くなるため亀裂が生じ易い。

【0052】

図７（ｂ）のように、挿入膜２８を設けることにより、領域５８には、下部電極１２に加え圧電膜１４および挿入膜２８が設けられる。よって、下部電極１２の亀裂を抑制できる。さらに、領域５８に、挿入膜２８が設けられず、圧電膜１４が設けられる場合に比べても圧電膜１４の亀裂を抑制できる。

【0053】

このように、挿入膜２８は、外周領域５２の少なくとも一部から共振領域５９外にかけて設けられていることが好ましい。これにより、共振領域５０の外周における圧電膜１４のクラックを抑制できる。挿入膜２８は、共振領域５０外であって空隙３０上に設けられることが好ましい。以上のようなクラック抑制効果は、特に２．５ＧＨｚ以上の高周波帯向けに膜厚が薄くなる場合に有効である。

【0054】

図３（ａ）のように、挿入膜２８のヤング率は圧電膜１４より小さいことが好ましい。これにより、Ｑ値を向上できる。また、図３（ｂ）のように、挿入膜２８を金属膜とすることにより実効的電気機械結合係数を向上できる。さらに、圧電膜１４が窒化アルミニウムを主成分とする場合、挿入膜２８は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｃｒおよび酸化シリコンの少なくとも一つを主成分とすることが好ましい。

【実施例2】

【0055】

図８（ａ）は、実施例２に係る圧電薄膜共振器の平面図、図８（ｂ）は、挿入膜の平面図、図８（ｃ）および図８（ｄ）は、図８（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図８（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図８（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。図８（ａ）から図８（ｄ）に示すように、挿入膜２８は、共振領域５０内に設けられ共振領域５０外には設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

【0056】

実施例２のように、共振領域５０外に挿入膜２８が設けられていなくともＱ値を改善することができる。

【実施例3】

【0057】

図９（ａ）は、実施例３に係る圧電薄膜共振器の平面図、図９（ｂ）は、挿入膜の平面図、図９（ｃ）は、図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図９（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器の断面図を示している。図９（ａ）から図９（ｃ）に示すように、挿入膜２８は、外周領域５２の一部に設けられ、外周領域５２の一部５５には挿入膜２８が設けられていない。また、挿入膜２８は、外周領域５２に加え共振領域５０を囲む領域５６に設けられている。その他の構成は実施例２と同じであり説明を省略する。

【0058】

実施例３のように、挿入膜２８は外周領域５２の一部に設けられていればよい。挿入膜２８が外周領域５２の一部に設けられていても弾性波の共振領域５０外への漏洩を抑制できる。挿入膜２８は共振領域５０の外周の少なくとも５０％以上に設けられていることが好ましく、７５％以上がより好ましく、９０％以上がさらに好ましい。挿入膜２８は、共振領域５０外の空隙３０の領域を含むように設けられることが好ましい。これにより、圧電膜１４または下部電極１の亀裂を抑制できる。

【実施例4】

【0059】

図１０（ａ）は、実施例４に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１０（ｂ）は、挿入膜および付加膜の平面図、図１０（ｃ）および図１０（ｄ）は、図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１０（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図１０（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。図１０（ａ）から図１０（ｄ）に示すように、下部電極１２と重なる外周領域５２に挿入膜２８が設けられている。上部電極１６上に付加膜２６が設けられている。付加膜２６は、例えば下からＴｉ膜およびＡｕ膜である。付加膜２６は弾性波が共振領域５０の外に漏洩することを抑制する。付加膜２６は、他の金属を用いてもよい。

【0060】

実施例４のように、挿入膜２８は外周領域５２の一部に設けられ、付加膜２６が外周領域５２の他の領域に設けられていてもよい。挿入膜２８および付加膜２６が中央領域５４の外周の全てを囲んでいることが好ましい。挿入膜２８および付加膜２６が中央領域５４の外周の一部を囲んでいてもよい。

【実施例5】

【0061】

図１１（ａ）は、実施例５に係る圧電薄膜共振器の平面図、図１１（ｂ）は、挿入膜および開口の平面図、図１１（ｃ）および図１１（ｄ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１１（ｃ）は、例えばラダー型フィルタの直列共振器、図１１（ｄ）は例えばラダー型フィルタの並列共振器の断面図を示している。図１１（ａ）から図１１（ｄ）に示すように、上部電極１６と重なる外周領域５２に挿入膜２８が設けられている。下部電極１２上の圧電膜１４が除去され開口３６が形成されている。圧電膜１４は、上部電極１６が庇になるように除去されている。開口３６は弾性波が共振領域５０の外に漏洩することを抑制する。開口３６は、共振領域５０の外に設けられていれば、下部電極１２上以外に設けられていてもよい。

【0062】

実施例５のように、挿入膜２８は外周領域５２の一部に設けられ、外周領域５２の他の領域の外に圧電膜１４の開口３６が設けられていてもよい。挿入膜２８および開口３６が中央領域５４の外周の全てを囲んでいることが好ましい。挿入膜２８および開口３６が中央領域５４の外周の一部を囲んでいてもよい。

【実施例6】

【0063】

実施例６は、空隙の構成を変えた例である。図１２（ａ）は、実施例６に係る圧電薄膜共振器の断面図、図１２（ｂ）は、実施例６の変形例に係る圧電薄膜共振器の断面図である。図１２（ａ）に示すように、基板１０の上面に窪みが形成されている。下部電極１２は、基板１０上に平坦に形成されている。これにより、空隙３０が、基板１０の窪みに形成されている。空隙３０は共振領域５０を含むように形成されている。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。空隙３０は、基板１０を貫通するように形成されていてもよい。なお、下部電極１２の下面に絶縁膜が接して形成されていてもよい。すなわち、空隙３０は、基板１０と下部電極１２に接する絶縁膜との間に形成されていてもよい。絶縁膜としては、例えば窒化アルミニウム膜を用いることができる。

【0064】

図１２（ｂ）に示すように、共振領域５０の下部電極１２下に音響反射膜３１が形成されている。音響反射膜３１は、音響インピーダンスの低い膜３０ａと音響インピーダンスの高い膜３０ｂとが交互に設けられている。膜３０ａおよび３０ｂの膜厚は例えばそれぞれλ／４（λは弾性波の波長）である。膜３０ａと膜３０ｂの積層数は任意に設定できる。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

【0065】

なお、実施例６およびその変形例において、実施例２と同様に共振領域５０内にのみ挿入膜２８が設けられていてもよい。また、実施例３のように、外周領域５２の一部にのみ挿入膜２８が設けられていてもよい。実施例４のように、付加膜２６が設けられていてもよく、実施例５のように開口３６が設けられていてもよい。

【0066】

実施例１から６のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において空隙３０が基板１０と下部電極１２との間に形成されているＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）でもよい。また、実施例６の変形例のように、圧電薄膜共振器は、共振領域５０において下部電極１２下に圧電膜１４を伝搬する弾性波を反射する音響反射膜３１を備えるＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）でもよい。

【0067】

実施例１から実施例６およびその変形例において、共振領域５０が楕円形状の例を説明したが、他の形状でもよい。例えば、共振領域５０は、四角形または五角形等の多角形でもよい。

【実施例7】

【0068】

実施例７はデュプレクサの例である。図１３は、実施例７に係るデュプレクサの回路図である。図１３に示すように、デュプレクサは、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２を備えている。送信フィルタ４０は、共通端子Ａｎｔと送信端子Ｔｘとの間に接続されている。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔと受信端子Ｒｘとの間に接続されている。共通端子Ａｎｔとグランドとの間には、整合回路としてインダクタＬ１が設けられている。送信フィルタ４０は、送信端子Ｔｘから入力された信号のうち送信帯域の信号を送信信号として共通端子Ａｎｔに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。受信フィルタ４２は、共通端子Ａｎｔから入力された信号のうち受信帯域の信号を受信信号として受信端子Ｒｘに通過させ、他の周波数の信号を抑圧する。インダクタＬ１は、送信フィルタ４０を通過した送信信号が受信フィルタ４２に漏れず共通端子Ａｎｔから出力されるようにインピーダンスを整合させる。

【0069】

送信フィルタ４０は、ラダー型フィルタである。送信端子Ｔｘ（入力端子）と共通端子Ａｎｔ（出力端子）との間に１または複数の直列共振器Ｓ１からＳ４が直列に接続されている。送信端子Ｔｘと共通端子Ａｎｔとの間に１または複数の並列共振器Ｐ１からＰ３が並列に接続されている。並列共振器Ｐ１からＰ３のグランド側は共通にインダクタＬ２を介し接地されている。直列共振器、並列共振器およびインダクタ等の個数や接続は所望の送信フィルタ特性を得るため適宜変更可能である。直列共振器Ｓ１からＳ４および並列共振器Ｐ１からＰ３の少なくとも１つを実施例１から６および変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。

【0070】

図１４（ａ）は、送信フィルタの平面図および断面図、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１５は、送信フィルタの挿入膜の平面図である。図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、実施例１に係る圧電薄膜共振器を同一基板１０に形成し、ラダー型フィルタとすることができる。圧電膜１４に開口３６が形成され、挿入膜２８に開口３７が設けられている。開口３６および３７を介し下部電極１２と電気的に接続することができる。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。各共振器Ｓ１からＳ４およびＰ１からＰ３の共振領域５０の大きさおよび形状は、適宜変更可能である。

【0071】

受信フィルタ４２は、ラダー型フィルタでもよく、多重モードフィルタでもよい。送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方をラダー型フィルタまたはラティス型フィルタとすることができる。また、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方の少なくとも１つの共振器を実施例１から６および変形例の圧電薄膜共振器とすることができる。

【0072】

フィルタが実施例１から６および変形例の圧電薄膜共振器を含む。これにより、共振器のＱ値が向上し、フィルタのスカート特性を向上できる。

【0073】

また、送信フィルタ４０および受信フィルタ４２の少なくとも一方を実施例１から６および変形例の圧電薄膜共振器を含むフィルタとすることができる。

【実施例8】

【0074】

実施例８は、挿入膜２８の側面をテーパーとする例である。図１６は、作製した実施例２に係る圧電薄膜共振器の断面図である。各層の膜厚は以下である。下部電極１２のＣｒ膜からなる下層１２ａの膜厚は１００ｎｍ、Ｒｕ膜からなる上層１２ｂの膜厚は２００ｎｍである。ＡｌＮ膜からなる圧電膜１４の膜厚は１２００ｎｍである。酸化シリコン膜からなる挿入膜２８の膜厚は１５０ｎｍである。上部電極１６のＲｕ膜からなる下層１６ａの膜厚は２５０ｎｍ、Ｃｒ膜からなる上層１６ｂの膜厚は５０ｎｍである。酸化シリコン膜からなる周波数調整膜２４の膜厚は５０ｎｍである。圧電膜１４に、挿入膜２８の端を起点にクラック６０が発生した。

【0075】

クラックの影響を調査するため、図１６の構造において、クラック６０の有る場合とない場合のＱ値をシミュレーションした。シミュレーションは有限要素法を用いた。図１７は、周波数に対するＱ値をクラック有無について示した図である。図１７を参照し、クラックがある場合、無い場合よりＱ値が低くなる。特に、共振点以上の周波数において、クラックによりＱ値が低くなる。

【0076】

図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、それぞれ比較例４および実施例８に係る挿入膜の端部の拡大図である。図１８（ａ）を参照し、挿入膜２８の側面７４が、下面７０および上面７２に対しほぼ直角に形成されている場合、側面７４と上面７２との交わる角７６を起点にクラック６０が発生してしまう。図１８（ｂ）を参照し、側面７４を上面７２が下面７０より小さくなるテーパーを有するように形成する。側面７４と下面とのなすテーパー角αは鋭角となる。すなわち、側面７４と上面７２とのなす角度が鈍角となる。よって、角７６を起点としたクラックの発生を抑制できる。

【0077】

図２（ｂ）において挿入膜２８を加工するときに、挿入膜２８の側面７４がテーパーを有するように加工する。加工方法は、例えばドライエッチングまたはウェットエッチングを用いる。エッチング条件および／またはエッチングマスクの条件を適宜変更することにより、テーパー角αを任意に設定できる。

【0078】

図１９は、角度αに対するクラック発生率を示す図である。テーパー角αのサンプルを作製し、作製したサンプルの断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用い観察した。サンプルのうちクラックが観察されるサンプルをクラックが発生したサンプルとした。観察したサンプルに対するクラックの発生したサンプルの割合をクラック発生率とした。図１９の実線は、測定点を近似した線である。図１９を参照し、テーパー角αが６０°を越えるとクラック発生率が８０％を越える。よって、テーパー角αは６０°以下が好ましい。テーパー角が４０°以下ではクラック発生率はほぼ０％である。よって、テーパー角αは４０°以下がより好ましい。

【0079】

テーパー角αを３０°と７５°とした図１６の構造の圧電薄膜共振器を作製しＱ値を測定した。テーパー角αが７５°のサンプルはクラックが発生しており、テーパー角αが３０°のサンプルはクラックが発生していない。各膜厚は図１６において説明したとおりである。共振領域５０は主軸が２２５μｍ、副軸が１４０μｍの楕円形状である。Ｗ／λは０．７である。図２０は、αが３０°と７５°のときの周波数に対するＱ値を示す図である。図２０を参照し、テーパー角αが３０°のサンプルは、７５°に比べＱ値が高い。特に、共振点以上において、３０°サンプルはＱ値が改善している。このように、テーパー角αを６０°以下とすることにより、クラックの発生が抑制され、Ｑ値が向上する。

【0080】

図２１（ａ）から図２２（ｂ）は、圧電薄膜共振器の平面図である。図２１（ａ）から図２２（ｂ）は、それぞれ実施例１の図１（ｂ）、実施例２の図８（ｂ）、実施例３の図９（ｂ）、実施例４の図１０（ｂ）および実施例５の図１１（ｂ）に相当する図である。太い実線６２は、挿入膜２８の側面がテーパーを有することを示している。図２１（ａ）を参照し、実施例１に実施例８を適用し、挿入膜２８に形成された開口に沿った側面をテーパーとする。図２１（ｂ）を参照し、実施例２において、挿入膜２８に形成された開口に沿った側面に加え、挿入膜の外周に沿った側面をテーパーとする。図２１（ｃ）を参照し、実施例３において、挿入膜２８が設けられていない一部５５の沿った側面をテーパーとする。図２２（ａ）を参照し、実施例４において、挿入膜２８の側面をテーパーとする。図２２（ｂ）を参照し、実施例５において、挿入膜２８の側面をテーパーとする。

【0081】

以上のように、実施例８を実施例１から６に適用することができる。なお、主に共振領域５０内および近傍に発生したクラックが問題となる。このため、共振領域５０内および近傍の挿入膜２８の側面がテーパーを有し、その他の挿入膜２８の側面はテーパーを有さなくてもよい。また、実施例８に係る圧電薄膜共振器をフィルタまたはデュプレクサに用いることもできる。

【0082】

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【符号の説明】

【0083】

１０ 基板
１２ 下部電極
１４ 圧電膜
１６ 上部電極
２８ 挿入膜
３０ 空隙
３１ 音響反射膜
５０ 共振領域
５２ 外周領域
５４ 中央領域
７０ 下面
７２ 上面
７４ 側面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】